У журналі Nature Photonics опубліковано опис нової технології передачі даних по оптоволокну на швидкості до 26 Тбіт/с замість нинішніх максимальних 1,6 Тбіт/с.
Група німецьких інженерів під керівництвом професора Вольфганга Фройде (Wolfgang Freude) з університету Карлсруе застосувала в оптоволокні техніку OFDM (ортогональний частотний поділ каналів з мультиплексуванням), яка широко використовується в бездротовому зв'язку (802.11 та LTE), цифровому телебаченні. .
В оптоволокні використовувати OFDM складніше, адже тут потрібно розділити на світловий потік, що піднесе. Раніше єдиним способом зробити це було використання окремого лазера для кожної несучої.
Порівняння різних видів мультиплексування
Для мовлення на кожній частоті використовується окремий лазер і окремий приймач, тому в одному оптоволоконному каналі одночасно можуть передавати сигнал сотні лазерів. За словами професора Фройде, загальна пропускна спроможність каналу обмежена лише кількістю лазерів. "Вже було проведено експеримент і продемонстровано швидкість 100 терабіт/с", - сказав він в інтерв'ю ВВС. Але для цього довелося використати близько 500 лазерів, що саме собою дуже дорого.
Фройде з колегами розробили технологію передачі оптоволокном понад 300 піднесуть різного кольору одним-єдиним лазером, який працює короткими імпульсами. Тут проявляється цікавий феномен під назвою «оптичний частотний гребінь». Кожен маленький імпульс «розмазується» за частотами і часом, отже приймач сигналу з допомогою хорошого таймінгу теоретично може обробити кожну частоту окремо.
Після кількох років роботи німецьким дослідникам таки вдалося знайти правильний таймінг, підібрати відповідні матеріали та здійснити на практиці обробку кожної піднесучої за допомогою швидкого перетворення Фур'є (БПФ). Перетворення Фур'є - операція, що зіставляє функції речової змінної іншу функцію речової змінної. Ця нова функція визначає коефіцієнти під час розкладання вихідної функції на елементарні складові - гармонійні коливання з різними частотами.
БПФ ідеально підходить для розкладання світла за піднесучим. Виявилося, що з звичайного імпульсу можна вилучити в сукупності близько 350 кольорів (частот), і кожен з них використовується як окрема піднесуча, як і в традиційній техніці OFDM. Минулого року Фройде з колегами провели експеримент і на практиці показали швидкість 10,8 терабіт/с, а зараз ще більше вдосконалили точність розпізнавання частот.
За словами Фройде, розроблена ним технологія таймінгу та БПФ цілком може бути реалізована в мікросхемі та знайти комерційне застосування.
Оптика відкриває широкі можливості там, де потрібні високошвидкісні комунікації з високою пропускною здатністю. Це добре себе зарекомендувала, зрозуміла та зручна технологія. В Аудіо-Візуальній області вона відкриває нові перспективи та надає рішення, недоступні за допомогою інших методів. Оптика проникла у всі ключові напрямки — системи спостереження, диспетчерські та ситуаційні центри, на військові та медичні об'єкти, до зон з екстремальними умовами експлуатації. ВОЛЗ забезпечують високий ступінь захисту конфіденційної інформації, дозволяють передавати несжаті дані типу графіки з високою роздільною здатністю та відео з точністю до пікселя. Нові стандарти та технології ВОЛЗ. Волокно - майбутнє СКС (структурованих кабельних систем)? Будуємо мережу підприємства.
Оптоволоконний (він волоконно-оптичний) кабель- це принципово інший тип кабелю проти розглянутими двома типами електричного чи мідного кабелю. Інформація щодо нього передається не електричним сигналом, а світловим. Головний його елемент - це прозоре скловолокно, яким світло проходить на величезні відстані (до десятків кілометрів) з незначним ослабленням.
Оптоволоконний кабель має виняткові характеристики.по перешкодозахищеності і секретності інформації, що передається. Ніякі зовнішні електромагнітні перешкоди в принципі не здатні спотворити світловий сигнал, а сам сигнал не породжує зовнішні електромагнітні випромінювання. Підключитися до цього типу кабелю для несанкціонованого прослуховування мережі практично неможливо, оскільки порушується цілісність кабелю. Теоретично можлива смуга пропускання такого кабелю досягає величини 1012 Гц, тобто 1000 ГГц, що незрівнянно вище, ніж електричні кабелі. Вартість оптоволоконного кабелю постійно знижується і зараз приблизно дорівнює вартості тонкого коаксіального кабелю.
Типова величина загасання сигналу в оптоволоконних кабеляхна частотах, що використовуються в локальних мережах, становить від 5 до 20 дБ/км, що відповідає показникам електричних кабелів на низьких частотах. Але у разі оптоволоконного кабелю при зростанні частоти сигналу, що передається, згасання збільшується дуже незначно, і на великих частотах (особливо понад 200 МГц) його переваги перед електричним кабелем незаперечні, у нього просто немає конкурентів.
Переваги оптики добре відомі: це імунітет до шумів та перешкод, малий діаметр кабелів при величезній пропускній здатності, стійкість до злому та перехоплення інформації, відсутність потреби в ретрансляторах та підсилювачах тощо.
Колись були проблеми з кінцевим закладенням оптичних ліній, але сьогодні вони в основному вирішені, тому працювати з цією технологією стало набагато простіше. Є, однак, низка питань, які слід розглядати виключно в контексті областей застосування. Як і у випадку з передачею по «міді» чи радіоканалу, якість волоконно-оптичного зв'язку залежить від того, наскільки добре узгоджені вихідний сигнал передавача та вхідний каскад приймача. Некоректна специфікація потужності сигналу призводить до збільшення коефіцієнта помилок бітів при передачі; потужність занадто велика - і підсилювач приймача "перенасичується", занадто мала - і виникає проблема з шумами, оскільки вони починають заважати корисному сигналу. Ось два найбільш критичні параметри ВОЛЗ: вихідна потужність передавача і втрати при передачі - загасання в оптичному кабелі, який з'єднує передавач і приймач.
* багатомодовий або мультимодовий кабель, дешевший, але менш якісний;
* Одномодовий кабель, дорожчий, але має кращі характеристики в порівнянні з першим.
Тип кабелю визначать кількість режимів розповсюдження або «шляхів», якими світло проходить усередині кабелю.
Багатомодовий кабель, що найчастіше використовується в невеликих промислових, побутових та комерційних проектах, має найвищий коефіцієнт ослаблення і працює тільки на коротких відстанях. Старіший тип кабелю, 62,5/125 (ці цифри характеризують внутрішній/зовнішній діаметри світловода в мкм), часто званий «OM1», має обмежену пропускну здатність і використовується передачі даних зі швидкістю до 200 Мбіт/с.
Нещодавно почали застосовувати кабелі 50/125 «OM2» і «OM3», що пропонують швидкості 1Гбіт/с на відстанях до 500 м та 10 Гбіт/с на до 300 м.
Одномодовий кабельвикористовується у високошвидкісних з'єднаннях (понад 10 Гбіт/с) або на довгих дистанціях (до 30 км). Для передачі аудіо та відео найбільш доцільним є застосування кабелів OM2.
Віце-президент європейського відділення компанії Extron з маркетингу Райнер Штайль зазначає, що оптоволоконні лінії стали доступнішими, їх частіше застосовують для організації мережі всередині будівель - це веде до зростання застосування АВ-систем на основі оптичних технологій. Штайль каже: «У плані інтеграції ВОЛЗ вже сьогодні мають кілька ключових переваг.
Порівняно з аналогічною мідно-кабельною інфраструктурою, оптика дозволяє використовувати одночасно і аналогові, і цифрові відеосигнали, забезпечуючи єдине системне рішення для роботи з існуючими, а також з перспективними відеоформатами.
З іншого боку, т.к. Оптика пропонує дуже високу пропускну спроможність, той же кабель працюватиме з великими дозволами і в майбутньому. ВОЛЗ легко адаптується до нових стандартів та форматів, що з'являються в процесі розвитку АВ-технологій».
Іншим визнаним експертом у цій галузі є Джим Хейз, президент Американської Волоконно-Оптичної Асоціації, створеної в 1995 році, що сприяє зростанню професіоналізму в галузі волоконної оптики і, між іншим, налічує у своїх лавах понад 27 000 кваліфікованих фахівців із встановлення та впровадження оптичних систем. Він говорить про зростання популярності ВОЛЗ наступне: «Вигода - у швидкості інсталяції та дешевизні комплектуючих. Зростає застосування оптики у сфері телекомунікацій, особливо у системах Fiber-To-The-Home* (FTTH) за допомогою бездротового доступу, а також у сфері безпеки (камери спостереження).
Схоже, що сегмент FTTH зростає швидше за інші ринки у всіх розвинених країнах. Тут, у США, на оптиці збудовано мережі управління дорожнім рухом, муніципальних служб (адміністрація, пожежники, поліція), навчальних закладів (школи, бібліотеки).
Зростає кількість користувачів Інтернету — і ми швидко будуються нові центри обробки даних (ЦОД), для взаємозв'язку яких використовується оптоволокно. Адже при передачі сигналів зі швидкістю 10 Гбіт/с витрати аналогічні «мідним» лініям, але оптика споживає значно менше енергії. Довгі роки прихильники волокна та міді "билися" один з одним за пріоритет у корпоративних мережах. Даремно витрачений час!
Сьогодні зв'язок по WiFi став настільки хорошим, що користувачі нетбуків, ноутбуків та iPhon'ів віддали перевагу мобільності. І тепер у корпоративних локальних мережах оптику використовують для комутації із точками бездротового доступу».
Справді, областей застосування оптики стає дедалі більше, переважно, через зазначених вище переваг перед міддю.
Оптика проникла у всі ключові напрямки — системи спостереження, диспетчерські та ситуаційні центри, на військові та медичні об'єкти, до зон з екстремальними умовами експлуатації. Зниження вартості обладнання дозволило використовувати оптичні технології в традиційно «мідних» областях – у конференц-залах та на стадіонах, у роздрібній торгівлі та на транспортних вузлах.
Райнер Штайль з Extron коментує: «Волоконно-оптичне обладнання широко використовується в медичних установах, наприклад, для комутації локальних відеосигналів операційних. Оптичні сигнали не мають жодного відношення до електрики, що є ідеальним у плані забезпечення безпеки пацієнтів. ВОЛЗ чудово підходять і для медичних навчальних закладів, де необхідно розподіляти відеосигнали з кількох операційних до кількох аудиторій, щоб студенти могли спостерігати за ходом операції «наживо».
Волоконно-оптичним технологіям віддають перевагу і військові, так як дані важко або навіть неможливо «рахувати» ззовні.
ВОЛЗ забезпечують високий ступінь захисту конфіденційної інформації, дозволяють передавати несжаті дані типу графіки з високою роздільною здатністю та відео з точністю до пікселя.
Можливість передачі на далекі відстані робить оптику, що ідеально підходить для систем Digital Signage у великих торгових центрах, де довжина кабельних ліній може досягати декількох кілометрів. Якщо для крученої пари відстань обмежена 450 метрами, то для оптики і 30 км не межа».
Що стосується використання оптоволокна в Аудіо-Візуальній індустрії, то прогресу тут сприяють два основні фактори. По-перше, це інтенсивний розвиток IP-заснованих систем передачі аудіо- та відео, які спираються на мережі з високою пропускною здатністю – для них ВОЛЗ підходять ідеально.
По-друге, повсюдна вимога передавати відео HD та комп'ютерні зображення HR на відстані більші за 15 метрів — а це межа для передачі HDMI по міді.
Є випадки, коли відеосигнал просто неможливо «роздати» мідним кабелем і необхідно застосувати оптоволокно — такі ситуації стимулюють розробку нової продукції. Б'єнг Хо Пак, віце-президент з маркетингу компанії Opticis, пояснює: «Для смуги даних UXGA, 60 Гц, та 24-бітового кольору потрібна загальна швидкість 5 Гбіт/с, або 1,65 Гбіт/с на кожен колірний канал. HDTV має дещо меншу пропускну спроможність. Виробники "підштовхують" ринок, але й ринок одночасно "підштовхує" гравців використовувати зображення вищої якості. Є окремі сфери застосування, де потрібні дисплеї, здатні відображати 3-5 млн пікселів або 30-36-бітову глибину кольору. У свою чергу, для цього буде потрібно швидкість передачі близько 10 Гбіт/с».
Сьогодні багато виробників комутаційного обладнання пропонують версії відеоподовжувачів (екстендерів) для роботи з оптичними лініями. ATEN International, TRENDnet, Rextron, Gefenта інші випускають різні моделі для цілого ряду відео- та комп'ютерних форматів.
При цьому службові дані – HDCP** та EDID*** – можуть передаватися за допомогою додаткової оптичної лінії, а в деяких випадках – по окремому мідному кабелю, що зв'язує передавач та приймач.
Внаслідок того, що формат HD став стандартом для ринку мовлення,на інших ринках — інсталяційному, наприклад, теж почали застосовувати захист від несанкціонованого копіювання контенту у форматах DVI та HDMI, — каже Джим Джачетта, старший віце-президент з розробок компанії Multidyne. — За допомогою пристрою HDMI-ONE, що випускається нашої компанії, користувачі можуть відправити відеосигнал з DVD- або Blu-Ray плеєра на монітор або дисплей, розташований на відстані до 1000 метрів. Раніше жоден пристрій, який працює з багатомодовими лініями, не підтримував систему захисту від копіювання HDCP».
Ті, хто працює з ВОЛЗ, не повинні забувати і про специфічні інсталяційні проблеми - кінцевий закладення кабелів. 
У цьому плані багато виробників випускають як власне роз'єми, так і монтажні набори, що включають спеціалізований інструмент, а також хімічні препарати.
Тим часом, будь-який елемент ВОЛЗ, чи то подовжувач, роз'єм чи місце стикування кабелів, повинен за допомогою оптичного вимірювача бути перевірений на предмет ослаблення сигналу - це необхідно для оцінки загального бюджету потужності (power budget, основний розрахунковий показник ВОЛЗ). Природно, зібрати роз'єми волоконних кабелів можна і вручну, «на коліні», але справді висока якість і надійність гарантується тільки при використанні готових, виготовлених на заводі «розроблених» кабелів, ретельно підданих багатоступеневому тестуванню.
Незважаючи на величезну пропускну здатність ВОЛЗ, у багатьох все ще залишається бажання «впхнути» в один кабель більше інформації.
Тут розвиток йде у двох напрямках - спектрального ущільнення (optical WDM), коли в один світловод прямує кілька світлових променів з різними довжинами хвиль, а інше - серіалізація / десеріалізація даних (SerDes), коли паралельний код перетворюється на послідовний і назад.
При цьому обладнання для спектрального ущільнення коштує дорого через складне проектування та застосування мініатюрних оптичних компонентів, але не збільшує швидкість передачі. Високошвидкісні логічні пристрої, що застосовуються в обладнанні SerDes, також збільшують витратну частину проекту.
Крім того, сьогодні випускається обладнання, що дозволяє мультиплексувати та демультиплексувати із загального світлового потоку керуючі дані – USB або RS232/485. При цьому світлові потоки можна відправляти по одному кабелю в протилежних напрямках, хоча ціна приладів, що виконують ці «трюки», зазвичай перевищує вартість додаткового світловода для повернення даних.
Оптика відкриває широкі можливості там, де потрібні високошвидкісні комунікації з високою пропускною здатністю. Це добре себе зарекомендувала, зрозуміла та зручна технологія. В Аудіо-Візуальній області вона відкриває нові перспективи та надає рішення, недоступні за допомогою інших методів. Принаймні без значних робочих зусиль та грошових витрат.
Кабель внутрішньої прокладки:
При монтажі ВОЛЗ у закритих приміщеннях зазвичай застосовується волоконно-оптичний кабель із щільним буфером (для захисту від гризунів). Використовується для побудови СКС як магістральний або горизонтальний кабель. Підтримує передачу даних на короткі та середні відстані. Ідеально підходить для горизонтального кабілювання.
Кабель зовнішньої прокладки:
Волоконно-оптичний кабель із щільним буфером, броньований сталевою стрічкою, вологостійкий. Застосовується для зовнішньої прокладки під час створення підсистеми зовнішніх магістралей і пов'язують між собою окремі будівлі. Може прокладатися у кабельні канали. Підходить для безпосереднього укладання в ґрунт.
Зовнішній самонесучий оптоволоконний кабель:
Волоконно-оптичний кабель самонесучий, із сталевим тросиком. Застосовується для зовнішньої прокладки на великі відстані в межах телефонних мереж. Підтримує передачу сигналів кабельного телебачення та передачу даних. Підходить для прокладання в кабельній каналізації та повітряної прокладки.
За останні роки на ринку з'явилося кілька технологій та продуктів, що дозволяють значно полегшити та здешевити використання оптоволокна у горизонтальній кабельній системі та підключення його до робочих місць користувачів.
Серед цих нових рішень перш за все хочеться виділити оптичні роз'єми з малим форм-фактором – SFFC (small-form-factor connectors), площинні лазерні діоди з вертикальним резонатором – VCSEL (vertical cavity surface-emitting lasers) та оптичні багатомодові волокна нового покоління.
Слід зазначити, що нещодавно затверджений тип багатомодового оптичного волокна ОМ-3 має смугу пропускання більше 2000 МГц/км на довжині лазерного випромінювання 850 нм. Даний тип волокна забезпечує послідовну передачу потоків даних протоколу 10 Gigabit Ethernet на відстань 300 м. Використання нових типів багатомодового оптоволокна та 850-нанометрових VCSEL-лазерів забезпечує найменшу вартість реалізації 10 Gigabit Ethernet-рішень.
Розробка нових стандартів оптоволоконних роз'ємів дозволила зробити оптоволоконні системи серйозним конкурентом мідним рішенням. Традиційно оптоволоконні системи вимагали вдвічі більшої кількості роз'ємів і комутаційних шнурів, ніж мідні - в телекомунікаційних пунктах була потрібна набагато більша площа розміщення оптичного устаткування, як пасивного, і активного.
Оптичні роз'єми з малим форм-фактором, представлені нещодавно цілим рядом виробників, забезпечують вдвічі більшу щільність портів, ніж попередні рішення, оскільки кожен такий роз'єм містить у собі відразу два оптичні волокна, а не одне, як раніше.
При цьому зменшуються розміри і оптичних пасивних елементів - кросов і т.д., та активного мережного обладнання, що дозволяє знизити вчетверо витрати на установку (порівняно з традиційними оптичними рішеннями).
Слід зазначити, що американські органи стандартизації EIA і TIA в 1998 році прийняли рішення не регламентувати використання певного типу оптичних роз'ємів з малим форм-фактором, що призвело до появи на ринку відразу шести типів конкуруючих рішень в даній галузі: MT-RJ, LC, VF-45, Opti-Jack, LX.5 та SCDC. Також сьогодні є нові розробки.
Найбільш популярним мініатюрним роз'ємом є роз'єм типу MT-RJ, який має один полімерний наконечник із двома оптичними волокнами всередині. Його конструкція була спроектована консорціумом компаній на чолі з AMP Netconnect на основі розробленого в Японії багатоволоконного роз'єму MT. AMP Netconnect на сьогоднішній день представила вже більше 30 ліцензій на виробництво даного типу роз'єму MT-RJ.
Своєму успіху роз'єм MT-RJ багато в чому завдячує зовнішній конструкції, яка схожа з конструкцією 8-контактного модульного мідного роз'єму RJ-45. Останнім часом характеристики роз'єму MT-RJ помітно покращилися - AMP Netconnect пропонує роз'єми MT-RJ з ключами, що запобігають помилковому або несанкціонованому підключенню до кабельної системи. Крім того, низка компаній розробляє одномодові варіанти роз'єму MT-RJ.
Досить високим попитом на ринку оптичних кабельних рішень користуються роз'єми LC компанії Avaya(http://www.avaya.com). Конструкція цього роз'єму заснована на використанні керамічного наконечника із зменшеним до 1,25 мм діаметром та пластмасового корпусу із зовнішньою клямкою важільного типу для фіксації у гнізді сполучної розетки.
Роз'єм випускається як у симплексному, так і у дуплексному варіанті. Основною перевагою роз'єму LC є низькі середні втрати та їхнє середньоквадратичне відхилення, яке становить всього 0,1 дБ. Таке значення забезпечує стабільну роботу кабельної системи загалом. Для встановлення вилки LC застосовуються стандартна процедура вклеювання на епоксидній смолі та полірування. Сьогодні рознімання знайшли своє застосування у виробників 10 Гбіт/с-трансіверів.
Компанія Corning Cable Systems (http://www.corning.com/cablesystems) виробляє одночасно як роз'єм типу LC, так і MT-RJ. На її думку, індустрія СКС зробила свій вибір на користь роз'ємів MT-RJ та LC. Нещодавно компанія випустила перший одномодовий роз'єм MT-RJ та UniCam-версії роз'ємів MT-RJ та LC, особливістю яких є малий час монтажу. При цьому для встановлення роз'ємів типу UniCam немає необхідності використовувати епоксидний клей та полі
Оптоволоконний або просто оптичний кабель є одним із найпопулярніших провідників. Він використовується як для створення нових кабельних систем, так і для оновлення старих. Все тому, що оптоволоконний кабель має безліч переваг перед мідним. Саме їх ми й розглянемо у цій статті.
Чим вище пропускну здатність, тим більше інформації можна передавати. Оптоволоконний кабель забезпечує більшу пропускну здатність: до 10Гбіт/с і вище. Це кращі показники, ніж мідний кабель. Варто також враховувати, що швидкість передачі буде різною у різних типів кабелю. Наприклад, одномодовий оптоволоконний кабель забезпечує більшу пропускну здатність, ніж багатомодовий.
При використанні оптоволоконного кабелю інформація передається з більшою швидкістю і більш далекі відстані практично без втрати сигналу. Ця можливість забезпечується тому, що сигнал передається через оптику як світлових променів. Оптоволокно позбавлене обмеження на відстань 100 метрів, як це можна спостерігати з неекранованим мідним кабелем без підсилювача. Відстань, на яку можна передати сигнал, також буде залежати від типу кабелю, що використовується, довжини хвилі і самої мережі. Відстань варіюється від 550 метрів для багатомодового типу до 40 кілометрів для одномодового типу кабелю.
З оптоволоконним кабелем вся ваша інформація знаходиться у безпеці. Сигнал, що передається оптикою, не випромінюється і його дуже складно перехопити. Якщо ж кабель був пошкоджений, це легко відстежити, оскільки він буде пропускати світло, що призведе до зупинки всієї передачі. Таким чином, якщо буде здійснена спроба фізичного злому вашої оптоволоконної системи, ви обов'язково дізнаєтесь про це.
Варто відзначити, що оптоволоконні мережі дозволяють розмістити всю електроніку та обладнання в одному централізованому місці.
Оптоволокно забезпечує максимально надійну передачу даних. Оптичний кабель має імунітет до багатьох факторів, які можуть вплинути на роботу мідного кабелю. Центр жили виготовлений зі скла, що ізолює від електричного струму. Оптика повністю стійка до радіо- та електромагнітних випромінювань, взаємних перешкод, проблем з опором та багатьма іншими факторами. Оптоволоконний кабель можна прокладати поряд із промисловим обладнанням без жодних побоювань. До того ж, оптоволоконний кабель не такий чутливий до температури, як мідний кабель, і легко може бути розміщений у воді.
Оптоволоконний кабель легший, тонший і довговічніший у порівнянні з мідним. Для досягнення великих швидкостей передачі з використанням мідного кабелю потрібно використання кращого типу кабелю, який зазвичай важчий, має більший діаметр і займає більше місця. Невеликі розміри оптичного кабелю роблять його зручнішим. Також варто зазначити, що провести тестування оптоволоконного кабелю набагато легше, ніж мідного.
Велике поширення та низька вартість медіаконвертерів суттєво спрощують передачу даних від мідного кабелю до оптоволоконного. Конвертери забезпечують безперебійне з'єднання із можливістю використання вже існуючого обладнання.
Хоча зварювання оптоволоконного кабелю на сьогоднішній день проходить більш трудомістко, ніж обжимання мідного кабелю, при використанні спеціальних інструментів для зварювання цей процес проходить набагато легше.
Вартість оптоволоконного кабелю, компонентів та обладнання для нього поступово знижується. На даний момент оптоволоконний кабель коштує дорожче за мідний тільки в рамках короткого проміжку часу. Але при тривалому використанні оптоволоконний кабель вийде дешевше за мідний. Оптоволокно легше обслуговувати, воно потребує менше мережного обладнання. На додаток до всього, в наші дні з'являється все більше рішень, що працюють з оптоволоконним кабелем: починаючи від активних оптичних кабелів HDMI і закінчуючи професійними рішеннями для Digital Signage, подібно до ZyPer4K від компанії ZeeVee, представленого нещодавно на виставці NEC's Solutions Showcase 2015 та перемикати сигнали несжатого 4K відео, аудіо та управління з використанням стандартної технології 10Gb Ethernet через оптоволоконний кабель.
У журналі Nature Photonics опубліковано опис нової технології передачі даних по оптоволокну на швидкості до 26 Тбіт/с замість нинішніх максимальних 1,6 Тбіт/с.
Група німецьких інженерів під керівництвом професора Вольфганга Фройде (Wolfgang Freude) з університету Карлсруе застосувала в оптоволокні техніку OFDM (ортогональний частотний поділ каналів з мультиплексуванням), яка широко використовується в бездротовому зв'язку (802.11 та LTE), цифровому телебаченні. .
В оптоволокні використовувати OFDM складніше, адже тут потрібно розділити на світловий потік, що піднесе. Раніше єдиним способом зробити це було використання окремого лазера для кожної несучої.
Порівняння різних видів мультиплексування
Для мовлення на кожній частоті використовується окремий лазер і окремий приймач, тому в одному оптоволоконному каналі одночасно можуть передавати сигнал сотні лазерів. За словами професора Фройде, загальна пропускна спроможність каналу обмежена лише кількістю лазерів. "Вже було проведено експеримент і продемонстровано швидкість 100 терабіт/с", - сказав він в інтерв'ю ВВС. Але для цього довелося використати близько 500 лазерів, що саме собою дуже дорого.
Фройде з колегами розробили технологію передачі оптоволокном понад 300 піднесуть різного кольору одним-єдиним лазером, який працює короткими імпульсами. Тут проявляється цікавий феномен під назвою «оптичний частотний гребінь». Кожен маленький імпульс «розмазується» за частотами і часом, отже приймач сигналу з допомогою хорошого таймінгу теоретично може обробити кожну частоту окремо.
Після кількох років роботи німецьким дослідникам таки вдалося знайти правильний таймінг, підібрати відповідні матеріали та здійснити на практиці обробку кожної піднесучої за допомогою швидкого перетворення Фур'є (БПФ). Перетворення Фур'є - операція, що зіставляє функції речової змінної іншу функцію речової змінної. Ця нова функція визначає коефіцієнти під час розкладання вихідної функції на елементарні складові - гармонійні коливання з різними частотами.
БПФ ідеально підходить для розкладання світла за піднесучим. Виявилося, що з звичайного імпульсу можна вилучити в сукупності близько 350 кольорів (частот), і кожен з них використовується як окрема піднесуча, як і в традиційній техніці OFDM. Минулого року Фройде з колегами провели експеримент і на практиці показали швидкість 10,8 терабіт/с, а зараз ще більше вдосконалили точність розпізнавання частот.
За словами Фройде, розроблена ним технологія таймінгу та БПФ цілком може бути реалізована в мікросхемі та знайти комерційне застосування.
Складається оптоволокно з центрального провідника світла (серцевини) - скляного волокна, оточеного іншим шаром скла - оболонкою, що має менший показник заломлення, ніж серцевина. Поширюючись серцевиною, промені світла не виходять її межі, відбиваючись від покриває шару оболонки. В оптоволокні світловий промінь зазвичай формується напівпровідниковим чи діодним лазером. Залежно від розподілу показника заломлення та від величини діаметра сердечника оптоволокно підрозділяється на одномодове та багатомодове.
Волоконна оптика хоч і є повсюдно використовуваним та популярним засобом забезпечення зв'язку, сама технологія проста та розроблена досить давно. Експеримент із зміною напряму світлового пучка шляхом заломлення був продемонстрований Данієлем Колладоном (Daniel Colladon) та Жаком Бабінеттом (Jacques Babinet) ще 1840 року. Через кілька років Джон Тіндалл (John Tyndall) використав цей експеримент на своїх публічних лекціях у Лондоні, і вже у 1870 році випустив працю, присвячену природі світла. Практичне застосування технології знайшлося лише у ХХ столітті. У 20-х роках минулого століття експериментаторами Кларенсом Хаснеллом (Clarence Hasnell) та Джоном Бердом (John Berd) було продемонстровано можливість передачі зображення через оптичні трубки. Цей принцип використовувався Генріхом Ламмом (Heinrich Lamm) для медичного обстеження пацієнтів. Тільки 1952 року індійський фізик Наріндер Сінгх Капані (Narinder Singh Kapany) провів серію власних експериментів, які й призвели до винаходу оптоволокна. Фактично ним було створено цей джгут зі скляних ниток, причому оболонка і серцевина були зроблені з волокон з різними показниками заломлення. Оболонка фактично служила дзеркалом, а серцевина була прозорішою – так вдалося вирішити проблему швидкого розсіювання. Якщо раніше промінь не сягав кінця оптичної нитки, і неможливо було використовувати такий засіб передачі на тривалих відстанях, то тепер проблема була вирішена. Наріндер Капані до 1956 року вдосконалив технологію. Зв'язування гнучких прутів передавало зображення практично без втрат і спотворень.
Винахід у 1970 році фахівцями компанії Corning оптоволокна, що дозволив без ретрансляторів продублювати на ту ж відстань систему передачі даних телефонного сигналу по мідному дроту, вважається переломним моментом в історії розвитку оптоволоконних технологій. Розробникам вдалося створити провідник, який здатний зберігати щонайменше одного відсотка потужності оптичного сигналу з відривом одного кілометра. За нинішніми мірками це досить скромне досягнення, а тоді, майже 40 років тому, - необхідна умова для того, щоб розвивати новий вид провідного зв'язку.
Спочатку оптоволокно було багатофазним, тобто могло передавати одразу сотні світлових фаз. Причому підвищений діаметр серцевини волокна дозволяв використовувати недорогі оптичні передавачі та конектори. Значно пізніше стали застосовувати волокно більшої продуктивності, яким можна було транслювати в оптичному середовищі лише одну фазу. З використанням однофазного волокна цілісність сигналу могла зберігатися більшій відстані, що сприяло передачі чималих обсягів інформації.
Найзатребуванішим сьогодні є однофазне волокно з нульовим усуненням довжини хвилі. Починаючи з 1983 року воно займає провідне становище серед продуктів оптоволоконної промисловості, довівши свою працездатність на десятках мільйонів км.
Оптичні приймачі виявляють сигнали, що передаються по волоконно-оптичному кабелю і перетворюють його в електричні сигнали, які потім підсилюють і відновлюють їх форму, а також синхросигнали. Залежно від швидкості передачі та системної специфіки пристрою, потік даних може бути перетворений з послідовного вигляду в паралельний.
Оптичний передавач у волоконно-оптичній системі перетворює електричну послідовність даних, що поставляються компонентами системи, оптичний потік даних. Передавач складається з паралельно-послідовного перетворювача із синтезатором синхроімпульсів (що залежить від системної установки та швидкості передачі інформації в бітах), драйвера та джерела оптичного сигналу. Для оптичних систем передачі можна використовувати різні оптичні джерела. Наприклад, світловипромінюючі діоди часто використовуються в дешевих локальних мережах для зв'язку на малу відстань. Однак, широка спектральна смуга пропускання та неможливість роботи в довжинах хвилі другої та третьої оптичних вікон, не дозволяє використовувати світлодіод у системах телезв'язку.
Підсилювач перетворює асиметричний струм від фотодіодного датчика в асиметричну напругу, яка посилюється і перетворюється на диференціальний сигнал.
Ця мікросхема повинна відновлювати синхросигнали від отриманого потоку даних та їх тактування. Схема фазового автопідстроювання частоти, необхідна для відновлення синхроімпульсів, також повністю інтегрована в мікросхему синхронізації і не вимагає зовнішніх контрольних синхроімпульсів.
Основним його завданням є подача струму зміщення та модулюючого струму для прямого модулювання лазерного діода.
При досить малому діаметрі волокна та відповідній довжині хвилі через світловод поширюватиметься єдиний промінь. Взагалі сам факт підбору діаметра сердечника під одномодовий режим розповсюдження сигналу говорить про зокрема кожен окремий варіант конструкції світловода. Тобто під одномодовістю слід розуміти характеристики волокна щодо конкретної частоти хвилі, що використовується. Поширення лише одного променя дозволяє позбавитися міжмодової дисперсії, у зв'язку з чим одномодові світловоди на порядки продуктивніші. На даний момент застосовується сердечник із зовнішнім діаметром близько 8 мкм. Як і у випадку з багатомодовими світловодами, використовується ступінчаста і градієнтна щільність розподілу матеріалу.
Другий варіант більш продуктивний. Одномодова технологія більш тонка, дорога і застосовується нині телекомунікаціях. Оптичне волокно використовується у волоконно-оптичних лініях зв'язку, які перевершують електронні засоби зв'язку тим, що дозволяють без втрат з високою швидкістю транслювати цифрові дані на великі відстані. Оптоволоконні лінії можуть утворювати нову мережу, і служити об'єднання вже існуючих мереж - ділянок магістралей оптичних волокон, об'єднаних фізично лише на рівні світловода, чи логічно - лише на рівні протоколів передачі. Швидкість передачі даних з ВОЛЗ може вимірюватися сотнями гігабіт на секунду. Вже зараз допрацьовується стандарт, що дозволяє передавати дані зі швидкістю 100 Гбіт/c, а стандарт 10 Гбіт Ethernet використовується у сучасних телекомунікаційних структурах кілька років.
У багатомодовому ОВ може поширюватися одночасно велика кількість мод – променів, введених у світловод під різними кутами. Багатомодове ВВ має відносно великий діаметр серцевини (стандартні значення 50 і 62,5 мкм) і, відповідно, великою числовою апертурою. Більший діаметр серцевини багатомодового волокна спрощує введення оптичного випромінювання у волокно, а м'якіші вимоги до допустимих відхилень для багатомодового волокна дозволяють зменшити вартість оптичних приймачів. Таким чином, багатомодове волокно переважає в локальних та домашніх мережах невеликої протяжності.
Основним недоліком багатомодового ОВ є наявність міжмодової дисперсії, що виникає через те, що різні моди роблять у волокні різний оптичний шлях. Для зменшення впливу цього явища було розроблено багатомодове волокно з градієнтним показником заломлення, завдяки чому моди в волокні поширюються параболічними траєкторіями, і різниця їх оптичних шляхів, а, отже, і міжмодова дисперсія істотно менше. Однак, наскільки не були б збалансовані градієнтні багатомодові волокна, їхня пропускна здатність не зрівняється з одномодовими технологіями.
Щоб передати дані через оптичні канали, сигнали повинні бути перетворені з електричного вигляду на оптичний, передані по лінії зв'язку і потім у приймачі перетворені назад в електричний вигляд. Ці перетворення відбуваються у пристрої приймача, який містить електронні блоки поряд із оптичними компонентами.
Мультиплексор, що широко використовується в техніці передач, з поділом часу дозволяє збільшити швидкість передачі до 10 Гб/сек. Сучасні швидкодіючі волоконно-оптичні системи пропонують такі стандарти швидкості передачі.
| Стандарт SONET | Стандарт SDH | Швидкість передачі |
|---|---|---|
| OC 1 | - | 51,84 Мб/сек |
| OC 3 | STM 1 | 155,52 Мб/сек |
| OC 12 | STM 4 | 622,08 Мб/сек |
| OC 48 | STM 16 | 2,4883 Гб/сек |
| OC 192 | STM 64 | 9,9533 Гб/сек |
Нові методи мультиплексного поділу довжини хвилі або спектральне ущільнення дають можливість збільшити густину передачі даних. Для цього численні мультиплексні потоки інформації надсилаються по одному оптоволоконному каналу з використанням передачі кожного потоку на різних довжинах хвилі. Електронні компоненти у WDM-приймачі та передавачі відрізняються в порівнянні з тими, що використовуються в системі з тимчасовим поділом.
Оптоволокно активно застосовується для побудови міських, регіональних та федеральних мереж зв'язку, а також для влаштування сполучних ліній між міськими АТС. Це пов'язано зі швидкістю, надійністю та високою пропускною здатністю волоконних мереж. Також через застосування оптоволоконних каналів існують кабельне телебачення, віддалене відеоспостереження, відеоконференції та відеотрансляції, телеметричні та інші інформаційні системи. У перспективі в оптоволоконних мережах передбачається використовувати перетворення мовних сигналів на оптичні.
